浅谈燃气蒸汽联合循环机组效率的优化

浅谈燃气蒸汽联合循环机组效率的优化

王天雨

大唐佛山热电有限责任公司  广东佛山  528000

摘要：燃气蒸汽联合循环机组是一种节能型机组，能够最大程度上使天然气得到洁净燃烧，不但可以减少环境污染，还能提高发电效率。因此为了发挥其价值作用，本文概述了燃气蒸汽联合循环机组，简述了燃气蒸汽联合循环机组运行的优势特征及其影响因素，对燃气蒸汽联合循环机组效率的优化策略进行了探讨分析。

关键词：燃气蒸汽联合循环机组；运行；优势；影响因素；优化

燃气蒸汽联合循环发电具有热效率高、三废排放少、占地面积小、水资源消耗少、运行维护方便、适于调峰等优点。近年来，节能环保、低碳发展、PM2.5监测治理等问题受到社会广泛关注，越来越多的供热联合循环机组得到运用，以缓解环境污染。

一、燃气蒸汽联合循环机组的概述

燃气蒸汽联合循环机组是通过气体动力循环和蒸汽动力循环来完成工作。气体动力循环是压气机将空气压进燃烧室，空气与燃烧室内的燃料进行燃烧，使温度升高，气体进行膨胀，烟气在膨胀的过程中进行做功，使热能转换成机械能推动燃气轮机进行发电。燃气蒸汽联合循环机组的主要设备由燃气轮发电机组、余热锅炉、蒸汽轮发电机组等组成。其中燃气轮机是联合循环中的关键部件，其性能对联合循环的热效率十分关键。余热锅炉和蒸汽轮机所组成的蒸汽系统，其参数主要取决于燃气轮机的排气参数，受到燃机排气条件的限制，要使联合循环具有较高的效率，首先要在机组配置上达到最佳。燃气蒸汽联合循环电站的机组选型工作，首先要确定燃气轮机，在选定燃机的情况下，对蒸汽系统进行合理选择和优化，最大限度利用燃气轮机的排气余热，使蒸汽系统取得较高的效率。

二、燃气蒸汽联合循环机组运行的优势特征及其影响因素

1、优势特征。（1）热效率高。燃气蒸汽联合循环机在运作时，压气机会把空气进行压缩，之后与天然气一起进入燃烧室，在超过1000℃的环境下进行燃烧，膨胀做功。而膨胀后的气体温度依然可达500℃，这些气体则会进入到余热锅炉进行热量的回收，这种模式充分提高了机组的热效率。（2）污染物的排放少。燃气蒸汽联合循环机组是将空气与天然气或液体燃料进行燃烧，使气体膨胀进行做功来进行发电。燃气蒸汽联合循环机组运作过程中，污染物的排放更少。（3）占地和耗水量比较少。使用燃气蒸汽循环机组的电厂与同容量的传统火力电厂相比，占地面积不到传统电厂的一半，极大的节约了土地。而且，联合循环机组中燃气轮机的运作不需要大量的水来进行冷却，与同容量的火电厂比较更加节水。

2、影响因素。（1）机组负荷。相关实验证明，燃气轮机的效率与机组的输出效率成正比。当机组发电机最后输出的功率越高时，燃气轮机的功率也会越高。所以，机组负荷的大小也会影响到本身的功率输出。（2）环境温度因素。周围大气的温度会影响到机组燃气轮机的效率。当环境温度比较高时，压气机就需要消耗更多的功率进行空气的压缩，燃气轮机输出的功率就会下降；当环境温度比较低时，会使压气机的进口导叶片结冰，需要将压气机出口的高温空气导入进口，来提高进口空气的温度，这样也会降低燃气轮机的功率。（3）天然气的温度。联合循环机组在运行过程中对天然气的温度也是有要求的。如果天然气的温度比较高，则气体的比容就会比较大。实验表明，天然气温度的变化会影响燃烧的稳定性，进而影响到燃气轮机的效率，最终影响整个燃气蒸汽联合循环机组的效率。

三、燃气蒸汽联合循环机组效率的优化策略

结合某热电联产项目进行分析，该项目建设了4套F级容量480MW“1+1”燃气蒸汽联合循环机组主要用于调峰，年平均负荷率低造成部分高品位能源浪费，严重影响联合循环机组整体经济性，所以需要对燃气蒸汽联合循环机组的效率进行优化。

1、优化联合循环机组参数。在余热锅炉和汽轮机性能之间进行的一个最优化热力计算选择机组最佳参数，通过充分计算、分析和论证，为汽轮机的设计提供最优化参数。通过F级燃机-蒸汽联合循环机组565℃/565℃、588℃/588℃和600℃/600℃三种主蒸汽/热再热蒸汽参数热平衡分析，结果表明：联合循环机组发电出力、发电效率和余热锅炉换热面积随蒸汽参数的提高而增加。根据设备厂家提供数据，提高机组参数主要设备投资相应增大，F级燃气蒸汽联合循环机组588℃/588℃方案：余热锅炉增加1107万元、主再热管道系统增加147万元、汽轮机增加1315万元，合计增加2570万元；600℃/600℃方案：余热锅炉增加1882万元、主再热管道系统增加129万元、汽轮机增加1403万元，合计增加3414万元。提高机组进汽参数后，设备初投资增加较多。故不建议提高汽机进汽参数，维持F级联合循环机组565℃/565℃进汽参数，保证较低的工程投资。

2、优化运行工况效率。联合循环机组在正常运行中需根据电网调度要求调整机组负荷，燃气轮机在多数情况都处于部分负荷方式下运行。燃气蒸汽联合循环机组部分负荷下性能变化曲线如图

3-1所示。

图3-1 联合循环效率随机组负荷的变化曲线

由上图可知，当燃机在部分负荷下运行时，随着负荷率的降低，效率开始逐步下降。，以下简要对优化策略进行说明：

（1） 改变压气机可调导叶（IGV）角度。目前对于部分负荷运行控制模式，在部分负荷范围内通过调整可调导叶（IGV）角度，尽可能维持燃气轮机排气温度与基本负荷大致相同，间接将部分负荷下的燃烧温度维持在较高的水平，从而在一定程度上优化燃气轮机在部分负荷下的运行性能。此外，燃气轮机排气温度不变，使得进入余热锅炉的能量具有较高的品质，以提高能量利用率，增加汽轮机出力，保证整个联合循环效率维持在相对较高的水平。

（2）优化燃气轮机燃烧器。燃气轮机制造厂在不断优化升级燃机的燃烧技术，以满足越来越严格的NOx排放要求和部分负荷运行需求。该项目燃烧器系统采用DLN2.6+燃烧系统，其燃烧室采用了5+1布局，增加了PM1中心喷嘴，气体燃料管路中每一个燃烧筒有四条燃料管路，每一条燃料管路都有一个独立的管道系统。DLN2.6+燃烧系统增强了燃机的低负荷运行能力，在40%~100%负荷时仍可以满足30mg/Nm3的NOx排放要求。DLN2.6+燃烧室采用全预混控制模式，增强了燃机低负荷运行能力，消除了扩散燃烧火焰，提高了燃料的适应性，降低了低负荷时的可见黄烟。

（3）优化燃气轮机进气加热。压气机进气温度的变化会对燃气轮机以及整个联合循环机组性能影响很大。随着压气机进口温度的升高，空气密度将减少，比容升高，压气机吸入的空气量随之减少，这使得燃气轮机及其联合循环的额定发电功率随环境温度的升高而降低。

对于机组部分负荷运行，在给定的目标负荷下，可通过加热燃气轮机入口空气实现联合循环总出力不变，但燃气轮机负荷率上升的特殊运行模式，在提升燃气轮机效率的同时，可以提高排入余热锅炉的能量及其品质，从而提升联合循环机组效率，提升机组运行经济性。当燃气蒸汽联合循环机组在部分负荷运行时，若保持联合循环机组负荷不变，联合循环效率随着燃机进口空气温度的升高而明显上升，效率上升速度随着燃机进口空气加热温度的升高而逐渐变缓。

结束语

综上所述，燃气蒸汽联合循环机组效率的优化对于促进电力事业发展具有重要影响，不仅提高了发电厂的热效率，还能够缓解我国的环境污染，是一种节能、清洁生产的技术，有利于社会经济与生态效益的提升，因此必须加强对其进行分析。

参考文献

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